МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»
___________________________________________________________
Е.В. Иванова
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗНИЦЫ КОНТРОЛЯ РАСХОДА С
ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И
SCADA-СИСТЕМЫ
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по дисциплине «Технические измерения и приборы» для студентов всех
специальностей Энергетического института
Издательство
Томского политехнического университета
2012
УДК 621.18.08
Исследование разницы контроля расхода с помощью измерительных
преобразователей и SCADA-системы.
Методические указания к выполнению лабораторной работы по
дисциплине «Технические измерения и приборы» для студентов всех
специальностей Энергетического института. – Томск: Изд-во ТПУ, 2012. -12
с.
Составители: ассистент Иванова Е.В.
Рецензент: доцент, канд. техн. наук Озерова И.П.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим
семинаром кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов «__»
_______ 2012 г.
Заведующий кафедрой АТП,
канд. техн. наук, доцент
______________ Озерова И.П.
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы заключается в изучении контроля расхода жидкости в
баке с помощью измерительных приборов и SCADA-системы. Расчёт
погрешностей измерительных систем вышеуказанных параметров.
Задачей лабораторной работы является изучение разницы контроля
расхода жидкости в баке с помощью измерительных приборов и SCADAсистемы.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Учебно-исследовательская установка информационно-измерительной
системы
контроля
и
регулирования
теплотехнических
параметров
представляет собой комплекс современного оборудования, предназначенного
для наиболее точного и быстрого измерения основных технологических
параметров, таких как температура, расход, давление, перепад давлений,
уровень, тепловая энергия. 3D модель лабораторной установки представлена
на рисунке 1.
В состав лабораторной установки входят следующие измерительные
устройства и оборудование:
1 – контроллерное оборудование; 2 – переключатель питания; 3 –
показывающий прибор; 4 – регистратор; 5 – показывающий прибор; 6 –
дистанционный указатель положения; 7 – переключатель управления
автомат/дистанционное; 8 – рабочая станция; 9 – кнопка отключения
звуковой сигнализации; 10 сигнальная лампа минимального уровня в нижнем
баке; 11 – лампа индикации работы ТЭНа; 12 – аварийный выключатель
ТЭНа и насоса; 13, 14 – ручные задатчики; 15 – ультразвуковой уровнемер;
16 – цифровой манометр; 17 – сужающее устройство; 18 – измерительный
преобразователь давления (на 3D модели скрыт верхним баком); 19 –
верхний бак; 20 – регулирующий клапан; 21 – дифференциальный манометр;
22 – ручной вентиль слива воды из верхнего бака; 23,27 – ручные вентили
закрытия
контура
радиатора;
24
–
измерительный
преобразователь
температуры; 25 – электромагнитный расходомер; 26 – радиатор; 28 –
нижний бак; 29 – ТЭН (на 3D модели скрыт нижним баком); 30 – насос; 31 –
измерительный преобразователь температуры.
Рисунок 1 – 3D модель лабораторной установки
На лабораторной установке производится измерение расхода воды на
подаче в верхний бак 19 и на сливе из него. В трубопровод подачи воды в бак
установлена диафрагма 17, перепад давления с которой подаётся на
дифференциальный манометр 21 типа SITRANS P DS III, предназначенный
для измерения расхода воды методом переменного перепада давления.
Диафрагма рассчитана и изготовлена по индивидуальному заказу для данной
установки, так как стандартная методика расчёта предназначена для больших
диаметров трубопроводов не менее 50 мм. Расход воды на сливе бака
измеряется с помощью преобразователя 25 типа SITRANS MAG 5000. Этот
преобразователь обрабатывает сигналы, поступающие от соответствующих
магнитно-индуктивных датчиков, и обеспечивает функцию блока питания.
Рабочая станция представляет собой сенсорную панель 8 типа PC 677B
Touch со SCADA-пакетом WinCC Flexible. SCADA-пакет WInCC Flexible
позволяет решать задачи управления динамическим объектом, отображать
все измеряемые параметры на одном экране, а также строить зависимости
изменения этих параметров во времени.
ЗАПУСК И ОТКЛЮЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
1.
Для
включения
учебно-лабораторной
установки
повернуть
переключатель питания 2, расположенный в верхней левой части щита, слева
от контроллеров, в положение «Вкл» (рисунок 3):
Рисунок 3– Переключатель питания
2. На лицевой панели щита с оборудованием одновременно будут
включены в работу следующие устройства:
2.1. Регистратор PMT 69L (Рисунок 4)
Рисунок 4 – Регистратор РМТ 69 L
2.2 . Измерительные приборы SITRANS RD200 , показывающие
температуру воды за радиатором (рисунок 5а) и в нижнем баке
(рисунок 5б)
а)
б)
Рисунок 5 – Показывающие приборы SITRANS RD 200
2.3. Контроллеры SIMATIC S7 300 (рисунок 6а) и SIMATIC S7 200
(Рисунок 6б)
а)
б)
Рисунок 6 – Контроллеры а) SIMATIC S7 300 и б) SIMATIC S7 200
2.4. Рабочая станция PC 677B Touch, представляющая собой
персональный компьютер с сенсорным дисплеем, а так же функцией сервера.
На ней остановимся подробнее.
Загрузку рабочей станции можно считать оконченной, когда полностью
прогрузится SCADA-пакет и все значения параметров на экране рабочей
станции сменят свой вид с «решёток» на числовой. Проект, созданный в
WinCC Flexible для учебно-исследовательской установки имеет 3 основных
экрана, на которых ведётся работа.
Стартовым экраном SCADA-пакета является экран «Процесс» (Рисунок
7). На нём изображена мнемосхема объекта регулирования с измерительным
оборудованием. Справа от неё, а так же под ней находятся органы
управления основным и вспомогательным оборудованием; индикатор
управления, показывающий, какой из режимов выбран – местное или
автоматическое; поля задания уставок по уровню и разнице расходов, а также
для ввода параметров настройки регуляторов регулирующего клапана и
насоса. В правой нижней части экрана находится мини-экран «Тренды», на
котором отображены текущие значения уставки по уровню в верхнем баке,
уровня в верхнем баке, а также процент открытия регулирующего клапана
либо частота вращения насоса в зависимости от выбранного способа
регулирования. Над мнемосхемой находятся кнопки выбора отображаемого
экрана. В правом нижнем углу находятся кнопки выхода из программы, а
также печати. В верхнем правом углу имеются часы, а также текущая дата.
На экране «Тренды» (рисунок 8) отображаются архив значений
давления жидкости после насоса, уровня жидкости в верхнем баке, расхода
жидкости на подаче, расхода жидкости на сливе, давления в верхнем баке,
температуры жидкости в нижнем баке, температуры жидкости в верхнем
баке, тепловой энергии.
Перетаскивая мышкой линейку показаний 10 либо пользуясь кнопками
8 и 9, можно просматривать значения всех представленных параметров в
любой точке в пределах экрана рабочей станции. Если же требуется
зафиксировать значение какого-либо параметра за пределами экрана, можно
переместиться на 30 минут назад или вперёд с помощью кнопок 3 и 4
соответственно.
Для
увеличения
масштаба,
если
это
необходимо,
можно
воспользоваться 5 и 6. Помимо отображения наименования параметра и его
значения в нижней части экрана «Тренды» также отображается дата и время
с точностью до тысячных долей секунды, в которое то или иное значение
параметра имело место быть.
Экран «Параметры» (рисунок 9) предназначен для отображения в
цифровом и графическом виде следующих параметров:
• давления на выходе насоса и в верхнем баке;
• температуры жидкости в нижнем баке и за радиатором;
• уровня жидкости в верхнем баке;
• расхода жидкости на подаче и на сливе;
• уставки уровня.
Рисунок 7 – Стартовый экран «Процесс»
На экране 1 – кнопки выбора экрана; 2 – часы и дата; 3 – показания по
разности расходов на подаче и сливе; 4 – показания по давлению внутри
верхнего бака; 5 – показания по уровню в верхнем баке; 6 – показания по
давлению в подающем трубопроводе; 7 – показания по расходу на подаче; 8 –
показания по расходу на сливе; 9 – показания по температуре воды за
радиатором; 10 – показания по температуре воды в нижнем баке; 11 – кнопка
включения/выключения насоса; 12 – кнопка включения вентилятора; 13 –
кнопки включения и выключения ТЭНа в нижнем баке; 14 – кнопка сброса
сигнала по давлению в верхнем баке; 15 – кнопка сброса сигнала низкого
уровня; 16 – показания по тепловой энергии; 17 – кнопка выбора
автоматического регулирования с помощью регулирующего клапана; 18 –
индикатор
выбора
регулирующим
управления;
клапаном;
19
–
20
–
переключатель
кнопка
выбора
управления
автоматического
регулирования с помощью насоса; 21 – переключатель управления насосом;
22 – значение уставки по уровню воды в верхнем баке; 23 – значение уставки
по разности расходов на подаче и сливе; 24 – поле ввода коэффициента
пропорциональности ПИД-регулятора регулирующего клапана; 25 – поле
ввода
постоянной
регулирующего
времени
клапана;
26
дифференцирования
–
поле
ввода
ПИД-регулятора
постоянной
времени
интегрирования ПИД-регулятора насоса; 27 – поле ввода процента открытия
регулирующего клапана в ручном режиме работы; 28 – поле ввода
коэффициента пропорциональности ПИД-регулятора насоса; 29 – поле ввода
постоянной времени дифференцирования ПИД-регулятора насоса; 30 – поле
ввода постоянной времени интегрирования ПИД-регулятора насоса; 31 –
поле ввода частоты вращения насоса в ручном режиме работы; 32 – миниэкран «Тренды»; 33 – кнопки печати и выхода из программы.
Рисунок 8 – Экран «Тренды»
На экране 1 – кнопка остановки ведения архива данных (автоматически
меняется на кнопку запуска ведения архива после нажатия); 2 – кнопка
отмены
предыдущего
переключения
просматриваемого
временного
интервала; 3 – смещение просматриваемого временного интервала на 30
минут назад; 4 – смещение просматриваемого временного интервала на 30
минут вперёд; 5 – уменьшение интервала просматривания; 6 – увеличение
интервала просматривания; 7 – кнопка включения/отключения линейки
показаний; 8 – кнопка смешения линейки показаний влево на 3 секунды; 9 –
кнопка смещения линейки показаний вправо на 3 секунды; 10 – линейка
показаний.
Для каждого из параметров (кроме уставки уровня), возможно задание:
• минимальной аварийной уставки 1 (рисунок 9);
• минимальной предельной уставки 2;
• максимальной предельной уставки 3;
• максимальной аварийной уставки 4.
Рисунок 9 – Экран «Параметры»
Активация уставки осуществляется нажатием кнопки рядом с полем
ввода значения уставки. Кроме того, поддерживается возможность имитации
конкретного значения любого из вышеперечисленных параметров.
На рисунке 9: 1 – значение минимальной аварийной уставки; 2 –
значение минимальной предельной уставки; 3 – значение максимальной
предельной уставки; 4 – значение максимальной аварийной уставки; 5 –
кнопка включения имитации заданного значения параметра; 6 – заданное
значение имитируемого параметра; 7 – графическое изображение значения
измеряемого параметра в виде шкалы; 8 – значение верхнего предела
измерений; 9 – цифровое значение измеряемого параметра; 10 – нижний
предел измерений.
Чтобы задать какую-либо из уставок, нужно в поле ввода значения этой
уставки с помощью клавиатуры ввести значение и нажать Enter, а затем
нажать серую кнопку рядом с введённым значением. Она сменит свой цвет с
серого на зелёный – уставка задана. Для задания имитационной уставки
нужно так же ввести значение уставки 6 в окне «Имитация» и нажать кнопку
«Установить» 5. Кнопка так же сменит свой цвет на зелёный – уставка
задана. После задания имитационной уставки цифровое и графическое
обозначение текущего значения параметра 7 примут её значение. После
отключения имитации отображаемое значение вернётся к текущему
значению реального параметра.
Помимо всех вышеперечисленных устройств, работу начнут все
измерительные преобразователи, установленные в сварном каркасе вместе с
баками. Значения измеряемых параметров в большинстве случаев, помимо
экрана рабочей станции дублируются на дисплеях преобразователей, а также
на экране регистратора, из которого они впоследствии могут быть
скопированы на карту памяти.
ХОД ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Как только установка полностью загрузилась, она готова к работе.
Как
было
сказано
выше,
об
окончании
загрузки
установки
свидетельствует загрузка стартового экрана «Процесс» SCADA-пакета и
принятие всеми параметрами на нём численных значений вместо «решёток»
Устанавливаем способ регулирования с помощью регулирующего
клапана нажатием кнопки 17 «Автоматическое регулирование клапаном»
справа от мнемосхемы. Открываем вентиль слива воды из верхнего бака 22
на 30° и включаем насос нажатием кнопки 11 «Включить насос» на экране
рабочей станции. Вода начнёт поступать в верхний бак. Далее нужно
подождать пока система заполнит верхний бак водой до заданного уровня и
дать ей поработать на этом уровне 2-3 минуты, после чего отключить насос
нажатием кнопки 11 «Выключить насос» и полностью открыть вентиль слива
воды из верхнего бака. Воспользовавшись экраном «Тренды», заполнить
таблицу 1 с интервалом времени 20 секунд.
Таблица 1 – Результаты эксперимента
Время, с
Расход на подаче, л/ч
Расход на сливе, л/ч
Дождаться, пока вода из верхнего бака полностью сольётся (уровень в
поле 5 на экране рабочей станции будет ~46 мм). Выставить значение
открытия сливного вентиля на 30°. Выбрать способ регулирования с
помощью
изменения
частоты
работы
насоса
нажатием
кнопки
20
«Автоматическое регулирование насосом» справа от мнемосхемы. Включить
насос нажатием кнопки 11 «Включить насос» на экране рабочей станции.
Вода начнёт поступать в верхний бак. Далее нужно подождать пока система
заполнит верхний бак водой до заданного уровня и дать ей поработать на
этом уровне 2-3 минуты, после чего отключить насос нажатием кнопки 11
«Выключить насос» и полностью открыть вентиль слива воды из верхнего
бака. Воспользовавшись экраном «Тренды», вновь заполнить таблицу 1,
имеющую те же поля, с тем же интервалом.
Построить графики изменения расхода во времени при обоих способах
регулирования. Сделать вывод, какой способ наиболее оптимален и почему.